專利名稱：借助脈寬調(diào)制控制裝置的方法和控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種借助方波信號的脈寬調(diào)制控制一個可轉(zhuǎn)換到“導通”和“斷開”狀 態(tài)的裝置的方法。此外，本發(fā)明還涉及一種借助方波信號的脈寬調(diào)制控制一個可轉(zhuǎn)換到“導 通”和“斷開”狀態(tài)的裝置的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
脈寬調(diào)制是一種用于調(diào)節(jié)一種僅能表示導通和斷開狀態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)的功率的已 知方法。根據(jù)這種方法，在周期性的方波信號的一個周期以內(nèi)這樣預先給定導通狀態(tài)的持 續(xù)時間與周期時間的比，即所謂的“占空比”，使得在時間上的平均形成期望的功率。然而在 慢速的執(zhí)行機構(gòu)中，該方法在占空比為零和100%的方向上達到極限，人們不想將周期時間 設置為無限高的值。出于這種原因，已知為占空比設定極限值，例如20%和80%，在極限值 范圍以外僅存在導通和斷開狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，創(chuàng)造一種借助脈寬調(diào)制控制一個可轉(zhuǎn)換到 導通和斷開狀態(tài)的裝置的方法，該脈寬調(diào)制也可以實現(xiàn)在下邊界區(qū)域和上邊界區(qū)域控制執(zhí) 行機構(gòu)的功率。本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題是，創(chuàng)造一種控制系統(tǒng)，使得可以在該邊界 區(qū)域內(nèi)控制執(zhí)行機構(gòu)的功率。該技術(shù)問題通過一種借助方波信號的脈寬調(diào)制控制一個可轉(zhuǎn)換到“接通”和 “斷開”狀態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)的方法以及一種實施該方法的控制系統(tǒng)來解決，按本發(fā)明的 第一方面，在步驟a)中為額定占空比的一個區(qū)域確定方波信號的標準周期持續(xù)時間 (Norm-Periodendauer) 0在本方法的步驟b)中，如果額定占空比低于第一下限值和/或超 過第一上限值，那么方波信號的周期持續(xù)時間相對標準周期持續(xù)時間增加。額定占空比由對執(zhí)行元件的功率要求(Leistungsanforderung)得到并且占空比 表示了執(zhí)行機構(gòu)應該具有的占空比。提高周期時間使得在O或100%附近的邊界范圍中額定占空比也可以轉(zhuǎn)變成執(zhí)行 機構(gòu)的相應功率。通過周期時間與標準周期時間匹配，優(yōu)選由第一下限值和第一上限值確定額定占 空比的區(qū)域。這保證了將標準周期時間用于平均占空比，并且僅對于邊界區(qū)域內(nèi)的占空比 延長周期時間。另外，在按期望改變額定占空比時優(yōu)選可以中斷當前運行的周期。這使得可以很 快地對執(zhí)行元件期望的功率變化進行反應。附加地或可選地，在改變額定占空比時可以延長或縮短當前的周期。優(yōu)選在需要 較高功率時縮短當前的周期，在需要較低功率時延長當前的周期。如果額定占空比的變化 在一個中斷界限以下，優(yōu)選進行周期的縮短或延長，并且在達到或超過中斷界限時中斷當 前的周期。
按本發(fā)明的方法，可以實現(xiàn)借助脈寬調(diào)制在額定占空比的較大的頻帶寬度上控制 尤其是低頻的執(zhí)行機構(gòu)。此外，可變化的周期時間預設值可以降低執(zhí)行機構(gòu)的切換頻度。這樣設置按本發(fā)明的控制系統(tǒng)，使得該控制系統(tǒng)實施按本發(fā)明的方法。該控制系 統(tǒng)尤其包括這樣設置的計算單元，使得該計算單元根據(jù)額定占空比確定周期時間和導通狀 態(tài)持續(xù)時間，并且將其傳達到控制系統(tǒng)的信號產(chǎn)生單元上用于生成切換執(zhí)行機構(gòu)的方波信 號。這樣設置該計算單元，使得如果額定占空比低于第一下限值和/或額定占空比超過第 一上限值，計算單元相對標準周期時間增加方波信號的周期時間。


以下根據(jù)由多個圖表示的各實施形式描述本發(fā)明。在附圖中圖1是按本發(fā)明的控制系統(tǒng)的一種實施形式的簡圖；圖2是表示在標準周期時間為10秒時對于不同占空比的方波信號的圖形；圖3是表示在周期時間相對標準周期時間增加時對于不同占空比的方波信號的 圖形；圖4是兩個圖形，其中，上方的圖形表示一個與時間有關(guān)的所需額定占空比隨時 間的變化，并且下方的圖形表示由控制系統(tǒng)生成的、用于所需額定占空比的方波信號；圖5表示在預先給定期望的功率時方波信號的脈寬調(diào)制的圖形；圖6表示在預先給定期望的額定占空比時方波信號的脈寬調(diào)制的圖形，包括通過 額定占空比的變化超過中斷界限的情況。
具體實施例方式圖1以簡圖的形式示出按本發(fā)明的用于借助方波信號的脈寬調(diào)制控制一個可轉(zhuǎn) 換到導通和斷開狀態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)1的第一種實施形式?？刂葡到y(tǒng)1包括計算單元2、信號產(chǎn)生單元3、控制單元4和比較單元5。計算單元2這樣設置，使得它根據(jù)額定占空比11確定周期時間和導通狀態(tài)持續(xù)時 間，并且將其傳達到用于生成切換執(zhí)行機構(gòu)(未示出)的方波信號的信號產(chǎn)生單元3上。對 執(zhí)行機構(gòu)的功率要求與額定占空比11匹配。除了額定占空比11外，計算單元2使用標準周期時間6、待轉(zhuǎn)換的執(zhí)行機構(gòu)的最小 接通時間7和最小斷開時間8作為輸入值來確定周期時間和導通狀態(tài)持續(xù)時間。標準周期 時間是可以選擇的，但至少具有一個與最小接通時間7和最小斷開時間8之和相當?shù)闹?。最小接通時間7表示方波信號必須處于導通狀態(tài)的最小時間。最小的斷開時間8 表示方波信號必須處于斷開狀態(tài)的最小時間。最小接通時間7和最小斷開時間8考慮到了 待開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)速度。這樣設計計算單元2，使得如果額定占空比11低于第一下限值和/或如果額定占 空比11超過第一上限值，計算單元相對標準周期時間6增加方波信號的周期時間。第一下 限值和第一上限值由標準周期時間6和最小接通時間7以及最小斷開時間8得出，其中，第 一下限值等于最小接通時間7除以標準周期時間6，并且第一上限值等于差值(標準周期時 間減去最小斷開時間8)除以標準周期時間6。根據(jù)最小接通時間7和最小斷開時間8通過計算單元2增加周期時間。優(yōu)選在低5于第一下限值時，周期時間相對標準周期時間6這樣增加，使得為所述的額定占空比產(chǎn)生 的導通狀態(tài)的持續(xù)時間相當于最小的接通時間7。在另一種情況下，如果額定占空比11超 過第一上限值，周期時間優(yōu)選這樣增加，使得在周期以內(nèi)的斷開狀態(tài)持續(xù)時間相當于最小 的斷開時間。信號生成單元3產(chǎn)生用于控制執(zhí)行機構(gòu)的方波信號。該方波信號是周期性的，其 中，一個周期開始于導通狀態(tài)。周期時間和導通狀態(tài)的持續(xù)時間確定為由計算單元2給出 的值。作為另一個輸入?yún)?shù)，信號生成單元3包括導通/斷開信號12，其說明執(zhí)行機構(gòu)是 否導通或斷開。僅在執(zhí)行機構(gòu)導通之后才產(chǎn)生用于控制執(zhí)行機構(gòu)的方波信號。這樣設置信號產(chǎn)生單元3，使得如果額定占空比11的變化大于或等于中斷界限， 則該單元在額定占空比11變化時中斷當前的周期。額定占空比11的變化由額定占空比和 實際占空比之間的差值得出。實際占空比要么是最后完成的周期的占空比，要么是在執(zhí)行 機構(gòu)斷開的時刻由接通時間和最后周期時間得出的占空比，視兩個占空比中的哪一個更新 而定。如果額定占空比11的變化小于中斷界限，可以延長或縮短當前的周期。優(yōu)選不進 行，但原則上同樣可以將周期縮短到低于標準周期的一個值。當前周期的中斷和新周期的 開始或當前周期的延長或縮短可以實現(xiàn)使控制系統(tǒng)1快速地對功率要求11的變化作出反 應。一個關(guān)于中斷界限的優(yōu)選值是額定占空比超過實際占空比至少50%。由信號產(chǎn)生單元3生成的方波信號傳到比較單元5上。比較單元5的其它輸入?yún)?數(shù)是第二下限值9和第二上限值10。第二下限值9和第二上限值10預先給出一個區(qū)域，在 該區(qū)域外執(zhí)行機構(gòu)不考慮所需功率處于斷開狀態(tài)或?qū)顟B(tài)。第二邊界值9、10可以在比 較單元5中確定，或是可選擇的可變化的參數(shù)。這樣設置比較單元5，使得該比較單元5檢驗由信號產(chǎn)生單元3生成的方波信號 的額定占空比11是否位于由第二下限值9和第二上限值10限定的區(qū)域以內(nèi)。如果位于該 區(qū)域內(nèi)，則將由信號產(chǎn)生單元3生成的方波信號傳到控制單元4上。否則，如果額定占空比 11低于第二下限值9，則在整個周期上將方波信號設置到斷開狀態(tài)，并且如果額定占空比 11超過第二上限值10，則在整個周期上將方波信號設置到導通狀態(tài)?？刂茊卧?具有作為另外的輸入?yún)?shù)的最小接通時間7和最小斷開時間8。該控 制單元4這樣設置，使得在中斷當前的周期時，使當前的周期至少繼續(xù)這樣一段時間，使得 在方波信號的接通狀態(tài)中達到或超過待切換裝置的最小接通時間7和/或在方波信號的關(guān) 閉狀態(tài)中達到或超過待切換裝置的最小斷開時間8。這經(jīng)過方波信號現(xiàn)在的變化與最小接 通時間7和/或最小斷開時間8的比較進行。這確保了不會低于最小接通時間7和最小斷 開時間8。這例如可實現(xiàn)節(jié)省地運行執(zhí)行機構(gòu)。圖2和3例示出多個由控制系統(tǒng)1和由被該控制系統(tǒng)實施的方法產(chǎn)生的、用于控 制執(zhí)行機構(gòu)的方波信號。執(zhí)行機構(gòu)在本實施形式中是一個用在帶有內(nèi)燃機的汽車中的、可開關(guān)的水泵。最 小的接通時間7設置為一秒，最小的斷開時間8設置為兩秒。對于由位于10%處的第一下 限值和位于80%處的第一上限值限定的額定占空比區(qū)域，標準周期時間6為10秒。圖2示出用控制系統(tǒng)1生成的周期性方波信號，用于在標準周期時間6為10秒時， 額定占空比為10%、20%和80%的三種情況。
若功率要求11改變，使得與此相關(guān)的額定占空比位于10%至80%的區(qū)域以外，則 如上所述，通過控制系統(tǒng)1相對標準周期時間6增加周期時間。圖3示出由控制系統(tǒng)1生 成的用于額定占空比為5%和90%的方波信號。在這種情況下，周期時間增加到20秒。在例如為95%的第二上限值10以上，并且在例如為5%的第二下限值9以下，方 波信號在整個周期上設置到導通狀態(tài)或斷開狀態(tài)。圖4示出兩個圖形。上方的圖形表示所需的額定占空比隨時間的變化，下方的圖 形表示對于所需的額定占空比由控制系統(tǒng)1產(chǎn)生的方波信號。圖形說明，在所需的額定占空比達到或超過第二下限值9時才接通執(zhí)行機構(gòu)。在 所需額定占空比超過第二上限值10時，執(zhí)行機構(gòu)保持在“導通”狀態(tài)不變。圖5示例性地表示對于在時間上變化的功率要求(在此指泵的期望的流量)用按 本發(fā)明的控制系統(tǒng)和按本發(fā)明的方法生成的方波信號13隨時間的圖形。額定占空比11相 應于功率要求。用附圖標記14表示根據(jù)按本發(fā)明的方法動態(tài)地改變其持續(xù)時間的周期。圖6示出一個圖形，其表示在預先給定期望的額定占空比時的方波信號的脈寬調(diào) 制，包括通過額定占空比11的變化超過中斷界限的情況。同樣示出了實際占空比16。如由 圖6可知，在到達用附圖標記17代表的中斷界限時中斷當前的周期并且開始新的周期。上述可開關(guān)的水泵是指在接通狀態(tài)中用于冷卻發(fā)動機的、在水循環(huán)中的機械驅(qū)動 的泵。附加地也可以使用按相同方法控制的電子泵。背景的實際情況是，熱的發(fā)動機比冷 的發(fā)動機消耗明顯更少的燃料并且產(chǎn)生更少的廢氣。因此，用可開關(guān)的水泵的目的是，只抽 出剛好為冷卻發(fā)動機所需的量的水。
權(quán)利要求
1.一種借助方波信號的脈寬調(diào)制控制可轉(zhuǎn)換到“導通”和“斷開”狀態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)的方 法，包括步驟a)為額定占空比(11)的一個區(qū)域確定所述方波信號的標準周期時間(6)； b)如果額定占空比(11)低于一個第一下限值和/或如果額定占空比(11)超過一個第一上 限值，則相對所述標準周期時間(6)增加所述方波信號的周期時間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述待切換裝置的最小接通時間(7)和 /或最小斷開時間(8)增加所述周期時間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方波信號在一個周期內(nèi)開始于“導 通”狀態(tài)。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，附加地包括步驟c)如果所述 額定占空比(11)的變化大于或等于中斷界限，則中斷當前的周期并且以一個新的周期繼 續(xù)所述方法，如果所述額定占空比(11)的變化小于所述中斷界限，則延長或縮短所述當前 的周期。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述待切換的裝置的最小接通時間(7) 和/或最小斷開時間(8)中斷或縮短所述當前的周期，優(yōu)選使所述當前的周期至少繼續(xù)這 樣的一段時間，使得在所述方波信號的“導通”狀態(tài)中達到或超過所述待切換的執(zhí)行機構(gòu)的 最小接通時間(7)和/或在所述方波信號的“斷開”狀態(tài)中達到或超過所述待切換的執(zhí)行 機構(gòu)的最小斷開時間(8)。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，附加地包括步驟d)如果額定 占空比(11)低于一個第二下限值(9)，則在整個周期上將所述方波信號設置到所述“斷開” 狀態(tài)，和/或如果額定占空比(11)超過一個第二上限值(10)，則在整個周期上將所述方波 信號設置到“導通”狀態(tài)。
7.一種借助方波信號的脈寬調(diào)制控制一個可轉(zhuǎn)換到“導通”和“斷開”狀態(tài)的執(zhí)行機構(gòu) 的控制系統(tǒng)(1)，包括一計算單元( 和一信號產(chǎn)生單元(3)，其中，這樣設置所述計算單元 0)，使得該計算單元根據(jù)額定占空比(11)確定周期時間和導通狀態(tài)持續(xù)時間，并且該計 算單元將所述周期時間和導通狀態(tài)持續(xù)時間傳達到用于生成切換所述執(zhí)行機構(gòu)的方波信 號的所述信號產(chǎn)生單元C3)上，其中，這樣設置所述計算單元0)，使得如果額定占空比低 于一個第一下限值和/或額定占空比(11)超過一個第一上限值，所述計算單元( 相對標 準周期時間(6)增加所述方波信號的周期時間。
8.如權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，這樣設置所述信號產(chǎn)生單元(3)，使得 該信號產(chǎn)生單元C3)在所述額定占空比(11)變化時中斷所述當前的周期或延長或縮短所 述當前的周期。
9.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，附加地包括一控制單元0)，其中，該控 制單元(4)這樣設置，使得在中斷或縮短所述當前的周期時使所述當前的周期至少繼續(xù)這 樣的一段時間，使得在所述方波信號的“導通”狀態(tài)達到或超過所述待切換裝置的最小接通 時間(7)和/或在所述方波信號的“斷開”狀態(tài)達到或超過所述待切換裝置的最小斷開時 間(8)。
10.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，附加地包括一比較單元(5)，其中，所 述比較單元(5)這樣設置，使得如果額定占空比(11)低于一個第二下限值(9)，在整個周 期上將所述方波信號設置到“斷開”狀態(tài)和/或如果額定占空比(11)超過一個第二上限值(10)，在整個周期上將所述方波信號設置到“導通”狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種借助脈寬調(diào)制控制可轉(zhuǎn)換到“導通”和“斷開”狀態(tài)的執(zhí)行機構(gòu)的方法，其包括步驟a)為額定占空比的一個區(qū)域確定方波信號的標準周期時間(6)；b)如果額定占空比(11)低于第一下限值和/或如果額定占空比(11)超過第一上限值，則相對標準周期時間(6)增加所述方波信號的周期時間。此外，本發(fā)明還涉及一種控制系統(tǒng)。
文檔編號F04B49/06GK102055445SQ20101052131
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月22日
發(fā)明者克勞斯·波克納, 尤維·斯坦曼, 賴特什·阿倫賈 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司